船舶电机虚拟维修系统的研究

卢森微，欧 镇，高德基

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003)

维修理论

船舶电机虚拟维修系统的研究

卢森微，欧 镇，高德基

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003)

虚拟维修是一种崭新的维修模式，具有较多优点。文章阐述了船舶电机虚拟维修系统的设计，并以船舶电机的虚拟拆卸、保养、维修为例，采用虚拟现实软件——virtools实现对电机的虚拟拆卸、保养、维修功能。通过分析虚拟维修系统表明，它对开发更高级的虚拟维修训练系统提供一定的参考价值。

虚拟维修；船舶电机；虚拟拆卸

电机是船舶设备的重要组成部分，其稳定性和可靠性对于船舶的整体性能有很大影响[1]。所以，在船舶电机整个运行周期内，都需要对其进行不断的维护、保养和维修，及时顺利的维修和维护是保证船舶电机正常、安全运行的重要条件之一[2-3]。传统的维修方法一方面由于设备的结构复杂、种类繁多、造价高等因素的限制；另一方面由于训练过程中大量的工具、零件和材料的消耗，训练人员更不能集合实际设备进行反复训练[4]。

虚拟维修作为一门新型维修技术，主要采用计算机仿真技术与虚拟现实技术相集合，建立一个逼真的集视、听、触觉一体化的集成，这个集成是对一个真实空间或假想空间的模拟，用户可以借助人机交互设备与虚拟环境进行交互，实现对设备维修操作过程的模拟，可以有效解决传统维修出现的问题，提高维修效率，为船舶电机的维修训练开辟一条新途径[5]。

1 船舶电机虚拟维修系统设计

由于众多研究者对虚拟维修的理解不同，所提出的虚拟维修系统组成框架也不尽相同，但是基本设计原理是相同的[6]，即在设计设备的虚拟维修系统之前，必须对设备出现的故障和故障表示方法、维修知识有一个深刻的了解，才能正确的对虚拟维修过程进行仿真，提高设备的维修能力。本文开发的船舶电机虚拟维修系统主要包括三维虚拟场景建立、交互控制、故障诊断、人机交互设备、数据库建立、维修过程仿真等几部分组成，系统结构图如图1。

图1 虚拟维修系统结构图

1)虚拟场景建立。构建虚拟环境是整个虚拟维修系统建立的基础,本文根据维修对象、维修工具的CAD图纸、照片、视频等获取相关对象的尺寸、形状参数，应用三维建模软件3DMAX建立电机、维修工具等对象的三维模型。为了提高在维修仿真过程中零部件显示的真实性，还必须在三维建模软件3DMAX中赋予零部件材质，以便逼真的模拟整个维修环境，给用户身临其境的感觉。电机的三维模型如图2。

图2 电机三维模型

2)数据库。数据库系统是将预先分析和总结的电机模型数据和模型属性、维修知识和方法库、拆装顺序、故障类型数据、检修规程等数据导入数据库中，为后期拆装操作、维修操作等交互工作提供基础。

3)交互控制。交互控制是实现虚拟维修的重要环节，是人与虚拟环境中的维修对象实现互动的一种方式。本文主要调用virtools软件中的BB模块建立脚本程序实现互动控制，再使用鼠标和键盘与虚拟维修场景进行交互。用键盘控制整个虚拟环境的漫游镜头，用鼠标实现电机的虚拟拆装、故障检测和故障维修等操作的模拟[7]。

4)过程仿真。根据维修规程要求和步骤在虚拟环境里使用鼠标和键盘实现对电机虚拟拆装、虚拟维修、故障检测、维修对象结构等过程演示。

5)故障诊断。故障诊断系统采用数据库技术可方便快捷的查询、浏览、添加和删除设备的故障案例、维修标准等信息，可进行自动或手动诊断。故检修人员使用本虚拟维修系统能快速查找和分析故障，根据屏幕提示的信息，实现电机的维修性指导，提高维修质量和效率。

2 电机虚拟拆卸维修保养的实现

2.1电机虚拟拆卸实现

虚拟拆卸是虚拟维修过程中必不可少的部分，下面就阐述船舶电机虚拟拆卸过程的实现。

首先，把船舶电机和维修工具的三维模型导入具备简单易学、与其他软件兼容性好、编写脚本程序简单、开发周期短等优点的软件——virtools平台下，建立场景中使用鼠标就可以完成漫游功能的互动脚本程序，以便维修人员可以方便游览场景、直观了解电机外观以及维修工具，如图3为漫游的某一视角场景。

图3 某一视角场景

根据上面的虚拟场景，在建立一系列二维帧、电机零部件和各维修工具拆卸电机互动的脚本程序之后，可以得出如图4的电机拆卸的界面。

图4 电机虚拟拆卸界面

根据界面上的提示利用鼠标即可完成电机的虚拟拆卸，图5为螺丝刀拆接线盒的界面，图6为万用表测量电阻绕组之间的阻值的界面。

图5 拆接线盒

图6 测量绕组阻值

本文的船舶电机虚拟拆卸是在3DMAX中建立电机和各种工具模型的基础上，再把建立的三维模型导入 virtools平台下进行简单的脚本编程完成的，使得维修人员可以直观的了解船舶电机的结构和属性、各维修工具的使用。

2.2电机虚拟保养实现

虚拟维修系统中，虚拟保养也是重要组成部分。本文的电机虚拟维修保养系统是在完成虚拟拆卸的过程中完成的，也是在virtools平台下，利用鼠标和键盘来完成维修保养。本文主要以对船舶电机的转子、轴承、绕组和定子等项目，如图7所示为电机转子和轴承的维修保养界面。

图7 转子和轴承维修保养

2.3电机虚拟维修实现

船舶电机的虚拟维修要比拆卸和保养复杂，即故障多，且有不可预知。必须对设备出现的故障和故障表示方法、维修知识有一个深刻的了解，才能正确的对虚拟维修过程进行仿真，提高电机的维修能力。本文就以电机定子三相绕组间和对地短路为例，用兆欧表测量三相绝缘电阻和对地绝缘电阻，来判断是否短路，从而发生报警，以便完成绕组短路的虚拟维修，如图8绝缘绕组测量界面。

图8 绕组绝缘测量

本文开发的船舶电机虚拟维修保养维护系统，可以使维修人员在极为逼真的虚拟环境下了解设备的结构、熟悉拆卸、保养和维修流程，到达直观、真实的效果，为电机的维修起到一定保障作用。

3 结束语

通过本文开发的虚拟维修系统，不仅克服了传统维修只能播放维修视频动画，不能互动等缺点以外，还具有维修成本低，危险性小，维修效率高，机械磨损小，维修训练方便等优点，也为下一步的虚拟维修训练系统的研究提供参考价值。

[1]王宪成,李勃,李莉.基于Virtools 4.0的某型船艇柴油机虚拟维修关键技术研究[J].装甲兵工程学院学报，2010,24(2):27-31.

[2]苏涛.船舶动力装置关键部件虚拟维修技术研究[D].湖北武汉：武汉理工大学,2008.

[3]朱文革,李世其,尹文生.海军舰船装备的虚拟维修[J].中国修船，2004(5):37-40.

[4]袁先徳,罗运同,王建,等.某型舰用柴油机虚拟维修技术研究[J].中国修船，2011(6)：45-47.

[5]周韶泽，兆文忠，张军，等.动车组虚拟维修仿真系统的设计与实现[J].计算机工程，2011,37(17):214-216.

[6]冉跃龙，闫英敏，吕秀平.虚拟维修技术综述[J].电子设计工程，2012，20(20)：25-29.

[7] Sankar Jayaram, Uma Jayaram,Yong Wang, Hrishikesh Tirumali, Kevin Lyons, Peter Hart. A Virtual Assembly Design Environment[J]. IEEE Computer Graphics and Applications,1999,(12):44-50.

Virtual maintenance is a new maintenance way with many advantages.In this surway,the design of virtual maintenance system of the ship motor is expounded.Taking virtual disassembly and maintenance of the ship motor as an example,virtual reality software-virtools are adopted to realize the motor's disassembly and maintenance.Through the analysis of the virtual maintenance system,the system proves to be reference for developing more advanced virtual maintenance training system.

virtual maintenance;ship motor;virtual disassembly

卢森微(1989-)，男，贵州贵阳人，在读硕士研究生，研究方向为虚拟现实、船舶自动化。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.01.017

2013-10-08